1. 概述
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种全双工、串行、异步的通信协议。
UART 信号线说明：
- VCC：电源正极
- GND：接地
- TXD：发送数据信号线
- RXD：接收数据信号线
通信协议：UART、I2C、SPI、CAN等
**典型应用：**GPS 传感器（经度、纬度），如 ATGM336H-5N 型号，通过 UART 与 51 单片机进行数据通信。
2. 通信方式
根据数据传输方向，通信方式可分为以下三种：
（1）单工通信
- 数据的发送方和接收方是固定的
- 数据的传输通过一根信号线完成
- 数据的传输方向是固定的，只能从发送方到接收方
（2）半双工通信（I2C：VCC、GND、SDA、SCL）
- 通信双方既可以作为数据的发送方，也可以作为数据的接收方
- 数据传输通过一根信号线完成
- 数据传输方向可以是双向的，但同一时刻数据传输方向呈现单一性
（3）全双工通信（UART）
- 通信双方既可以作为数据的发送方，也可以作为数据的接收方
- 数据传输通过两根信号线完成
- 数据传输方向在任意时刻可以是双向的
3. 串口传输数据顺序
串口通信遵循 LSB 先行 原则，即先发送数据的低位，再发送高位。
例如字符 'A' 的 ASCII 码为 0x41，二进制为 0100 0001，发送时先发送最低位 1，最后发送最高位 0。
4. 串行传输与并行传输的区别
（1）串行传输
通过一根信号线传输数据，按照先后次序逐个 bit 发送
特点：
- 传输速率慢（只有一根线逐个 bit 传输数据）
- 硬件成本低，实现简单
- 传输距离远，抗干扰性强（信号线少，干扰小，不存在多根线之间的信号偏移，如 RS485 差分信号）
（2）并行传输
通过多根信号线同时传输多个 bit 数据
特点：
- 传输速率快（通过多根线同时发送多个 bit 数据）
- 硬件成本高，实现复杂
- 传输距离近，抗干扰性差（30 米距离内，存在信号偏移、电磁波干扰、误差）
5. 串口通信时序
- 空闲状态为高电平
- 发送 1 bit 低电平代表起始位
- 发送 8 bit 数据位（先发送数据低位）
- 发送 1 个 bit 校验位（低电平/高电平，奇校验或偶校验）
- 发送 1 个 bit 高电平代表停止位
6. 同步通信与异步通信
**时钟线：**约定双方的通信频率。
- **同步通信：**通信双方有一根共享的时钟信号线来约定通信的频率
- **异步通信：**通信双方没有时钟线进行通信频率约定
**波特率：**bits per second（bps），即每秒传输的 bit 数量。常见波特率有 2400bps、4800bps、9600bps、115200bps。
7. 串口通信参数配置
串口通信参数格式为：波特率、数据位、校验位、停止位。
| 参数示例 | 含义 |
|---|---|
| 9600 8 N 1 | 波特率 9600，8 位数据位，无校验（None），1 位停止位 |
| 2400 8 E 1 | 波特率 2400，8 位数据位，偶校验（Even），1 位停止位 |
| 4800 8 O 1 | 波特率 4800，8 位数据位，奇校验（Odd），1 位停止位 |
校验规则
- **奇校验：**校验位为 '1'，若数据位中 '1' 的个数加上校验位的 '1'，保持 '1' 的总个数为奇数个，则代表奇校验通过
- **偶校验：**校验位为 '0'，若数据位中 '1' 的个数加上校验位的 '0'，保持 '1' 的总个数为偶数个，则代表偶校验通过
例如字符 'A'（0100 0001）使用奇校验时，校验位为 1，即 0100 0001 1。校验机制无法检测偶数个 bit 出错的问题。
8. 电气特性与电平标准
TTL 电平
- 1（高电平）：5V
- 0（低电平）：0V
RS232 电平（负逻辑）
- 1（高电平）：-3V 至 -15V
- 0（低电平）：3V 至 15V
RS485 电平（差分）
- 1（高电平）：2V 至 6V
- 0（低电平）：-2V 至 -6V
**CH340 芯片：**电平转换芯片，用于实现 TTL 电平与 USB 电平之间的转换。
9. 51 单片机串口编程
（1）串口数据缓冲
- SBUF：串口数据缓冲寄存器，分为发送缓冲区和接收缓冲区
- 发送数据：
SBUF = 'a'; - 接收数据：从 SBUF 读取接收到的数据
（2）串口初始化配置
51 单片机通过定时器（Timer0/Timer1）作为波特率产生器，配置串口工作方式为 8 位 UART、波特率可变。
- **SCON 寄存器：**bit6 和 bit7 清 0，bit6 置 1，配置串口工作方式；bit4 置 1，允许串口接收数据
- **PCON 寄存器：**bit6 清零（SMOD0），可通过 SCON 寄存器中的 bit6 和 bit7 指定串口工作方式；bit7 置 1，波特率翻倍
（3）定时器 1 配置（8 位自动重装载模式）
- **TMOD 寄存器：**高 4 位清 0，bit5 置 1，配置定时器 1 为 8 位自动重装载模式
- **初值计算：**12MHz 晶振初值为 230；11.0592MHz 晶振、2400bps 时初值为 232（按公式计算）
- **TCON 寄存器：**bit6 置 1，打开定时器 1，开启计数
（4）中断配置
- **IE 寄存器：**bit7 和 bit4 置 1，开启串口中断和 CPU 总中断
（5）发送与接收方式
- 发送： 采用轮询方式，通过
putchar()或puts()逐字符发送 - **接收：**采用中断方式，接收数据后进入中断服务函数处理
（6）存储类型
- **data：**将变量的存储位置放到芯片内部 RAM（256 字节）
- **xdata：**将变量的存储位置放到芯片外部扩展 RAM（64KB）
10. 主从应答机制
- **主机：**永远是发起通信的一方，拥有对通信的绝对控制
- **从机：**无法发起通信，只能根据主机下发的指令完成对应的控制
- **应答：**从机完成对应功能后，需要给主机一个回复
11. 串口任务与 Modbus 协议
串口任务：主机（Windows）向从机发送 Modbus 协议格式指令，从机解析指令，根据指令完成对应功能，并向主机回复应答。
Modbus 协议位于 TCP/IP 应用层，使用 CRC 校验。
Modbus 报文格式
| 起始位 | 地址码 | 功能码 | 数据 1 | 数据 2 | 校验位 | 结束位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0xAA | 0xBB | 0x01 | 0x00 | 0x42 | 累加和校验 | 0xEE |
功能码定义（示例）
- 0x01：控制 LED 灯
- 0x02：数码管显示
- 0x03：蜂鸣器控制
- 0x04：温度采集
从机处理流程
- 接收主机发过来的数据
- 解析数据，获得功能码
- 根据功能码完成对应的控制（数据位）
- 向主机回复应答
数据流向位
- 主机到从机：功能码 0x01（0000 0001），数据流向位为 0
- 从机到主机：功能码 0x81（1000 0001），数据流向位为 1
数据流向位含义：0 表示数据从主机到从机，1 表示数据从从机到主机。